低剖面双频双圆极化平板缝隙天线的设计

张娜曼 杨 峰 杨 鹏

（电子科技大学电子工程学院，四川 成都611731）

引 言

随着现代卫星通信、雷达等系统的进步，所需系统组件向着结构紧凑、多频段、多极化方向发展.圆极化形式因具有极化损失小，受降雨、雪、电离层引起的衰减小等优点而广泛运用于很多通信系统中.很多情况下，要求收发天线工作于不同频率且具有不同极化方向，若采用多个非共口径的天线子系统必然会存在系统占用空间大、笨重等问题.基于上述情况，设计结构简单的低剖面双频双圆极化平板天线很有意义.

双频天线阵列主要有：微带阵列［1－2］、波导缝隙阵列［3－4］、抛物面天线［5］等.近年来，微带形式双频天线的研究大部分集中于低频段阵列或高频段的单元天线或小型阵列.这主要是因为：一方面，大型微带阵列需设计较为复杂的功分网络，插损大；另一方面，当频率升高至毫米波段时，介质损耗增大，导致天线的效率明显降低.波导缝隙阵列虽然效率高，却存在体积笨重、加工精度要求高等问题.而常见的双频抛物面阵列虽然具有效率高、极化纯度高等优点，却存在馈源设计复杂以及曲面天线体积笨重等缺点.

双层径向线缝隙天线（Double layers－Radial Line Slot Antennas，DL－RLSA）由日本学者 Ando M作为DBS卫星接收天线于1986年首次被提出［6］，后来为了简化天线结构，进一步提出了单层径向线缝隙天线（Single－Layer Radial Line Slot Antennas，SL－RLSA）［7］.SL－RLSA 具有结构简单、剖面低、损耗小、效率高等优点，直至现在，依然受到各国学者的广泛关注，但所有关于SL－RLSA的研究均是针对其单频形式.

基于SL－RLSA设计了一种新型双频（Ku／Ka）双圆极化缝隙天线，该天线具有以下特点：1）平板天线，结构简单、剖面低；2）馈电结构简单，轴比性能好；3）端口隔离度高；4）圆极化旋向易于实现；5）对于较高频率比的情况，该天线结构更具有优势.

1 基本原理与设计

1.1 传统SLRLSA结构

传统圆极化SL－RLSA结构，如图1所示，能量由中央同轴探针馈入，激励起外行径向TEM模［7］.为了保证径向波导中只传输主模（沿径向传输的TEM 模），需保证径向波导的高度 H＜λg／2（λg表示波导波长）.在无缝隙的情况下，由于柱面扩散作用，径向波导内的场会呈锥销分布.SL－RLSA采用长度逐渐加长的缝隙实现从内至外的缝隙对耦合强度按一定规律逐渐增强，抵消锥销衰减，从而实现天线口径场的均匀分布［7－9］，获得高辐射效率.

图1 传统圆极化SL－RLSA结构示意图

根据主模场分布形式，采用两条相互垂直且径向距离为λg／4的缝隙组成一个圆极化缝隙对单元.为了实现侧射辐射，缝隙对螺旋排布于最上层金属板上.径向波导中的能量一边沿径向传输，一边通过波导上表面缝隙向外辐射.为了避免激励起高次模，径向波导中央需留出一片无缝隙区域（径向半径至少一个λg）.相邻缝隙对的径向间距和方位角间距分别为Sρ和Sφ.其中，Sρ等于一个波导波长λg，Sφ任意选取（＜λg）.为了抑制栅瓣的产生，需在波导中填充慢波介质，使得λg＜λ0（λ0表示自由空间工作波长）.

1.2 双频双圆极化缝隙天线的结构设计

基于传统SL－RLSA，设计双频（Ku／Ka）双圆极化RLSA.天线在Ku、Ka频段分别实现右旋和左旋圆极化，天线结构示意图如图2所示.该结构包含三层平行金属平板，从上到下依次编号1、2、3.1号和2号平板构成高频Ka频段径向波导，1号和3号平板构成低频Ku频段径向波导.

在SL－RLSA的设计中，为了保证径向波导内传输的沿径向的TEM场不被严重干扰，要求径向波导上平板中央需留出一片无缝隙区域［7］，利用此特点，我们将高频RLSA的缝隙排布于低频RLSA的上平板中央无缝隙空白区域来实现双频RLSA.如图3（a）所示，所有缝隙对螺旋排布在1号金属平板上，低频缝隙对逆时针排布，高频缝隙对顺时针排布，分别实现右旋、左旋圆极化侧射辐射.单元缝隙对的设计与排布规律与传统圆极化SL－RLSA相同.

图2 双频RLSA结构示意图

图3 双频RLSA馈电结构的设计

两个频段若均采用传统中央探针馈电形式，会存在探针位置重合的冲突.根据径向波导可以采用单根中央探针和多根探针激励实现径向TEM传输场模式［10－12］，我们将这两种馈电形式相结合：低频采用多根探针，高频采用单根探针.为简化结构，低频段选择四根探针的馈电形式.

馈电探针的分布示意图如图2、4（a）所示.低频四根探针从3号平板底部探入到2、3平板间，且等幅同相激励；高频中央探针探入到1、2平板间.采用该馈电结构，一方面可保证两频段径向波导中激励起相应沿径向传输的TEM场；另一方面可保证馈电探针分布合理，且两个频段的馈电结构不会相互影响.

为了激励Ku频段的四根馈电探针，设计了一个微带等功分4路Wilkinson功分器.如图4（b）所示.整体馈电结构如图3（b），微带功分器固定于径向平板下方，采用同轴过渡微带方式馈电，实现在Ku波段等幅同相激励四根探针，从而馈电Ku频段径向波导.中央同轴用于馈电Ka频段径向波导.

图4

2 天线设计参数及仿真分析结果

采用商用三维电磁仿真软件HFSS对天线进行全波仿真.为了抑制栅瓣，在径向波导中填充相对介电常数为1.55，损耗正切角为0.001的介质.微带功分器印刷在厚度为0.254mm、相对介电常数为2.2的Roger／Duriod5880介质板上.如图2、3（b）所示.

令Sρ＝λg，Sφ＝0.62λg，优化馈电探针的位置r和探针深入到径向波导中的长度d1、d2调节阻抗匹配［12］.

建模初步仿真发现，当仅采用缝隙平板和馈电探针结构时，由于Ka频段缝隙的影响，使得Ku频段端口输入阻抗非常大，难以匹配.为了解决该问题，采取在2号平板的外围区域加一圈金属通孔，将1号和2号平板短路，如图2、3（a）所示.但加入通孔后，会导致天线在Ka频段的轴比性能稍恶化，这主要是因通孔反射及其自身辐射所造成的.

最终确定天线的参数如表1所示.

天线两个端口的S参数如图5所示，端口回波损耗带宽较宽，两个端口间的隔离度非常好，低于－32dB.该新型结构双频天线保持了传统SLRLSA的优点，因采用径向波导馈电且通过控制缝隙对的长度变化实现天线口径场均匀分布，天线损耗小、效率高.如图6所示，天线在两个设计中心频点12.0GHz和30.0GHz的增益分别达到24.81 dB和25.44dB，对应的辐射效率分别为57.1%和55.4%；副 瓣 电 平 偏 高，分 别 为 －8.92dB 和－12.91dB，这主要是由于对缝隙对单元的分析存在偏差，导致未能精确控制缝隙对耦合强度实现理想的均匀口径场分布；3dB波束宽度分别为7.30°和8.23°；交叉极化分量均低于－25dB.从图7扫频结果知，天线最大增益发生在12.3GHz和29.7 GHz，对应的最高辐射效率分别为60.5%和55.7%，产生了些许频偏，这也是由于对缝隙对单元的分析误差导致的.在Ku和Ka两个频段的1dB增益带宽分别为8.3%和6.2%；与传统RLSA相同，该天线的轴比性能很好，轴比带宽（小于3dB）较宽，如图8所示.

表1 天线结构参数

图5 天线端口回波损耗与隔离度

基于传统SL－RLSA形式的双频双圆极化缝隙天线，结构简单，剖面低、轴比性能好，天线效率高.单探针与多探针结合的馈电结构，保证端口具有很高的隔离度.两个频段的极化形式选择自由且易于实现，只需改变缝隙对的排布形式即可.

图6 天线在不同设计中心频点的增益方向图

图7 天线增益

图8 天线轴比

3 结 论

介绍了一种新型低剖面双频（Ku／Ka）双圆极化缝隙天线结构.采用三层平行平板结构，单探针与多探针结合的馈电形式，天线结构简单、剖面低、易于加工.仿真结果表明，该天线具有损耗小、增益效率高、端口隔离度高等优点，天线性能好.对于频率比较大的双频高增益天线设计，该结构是一个很好的选择.

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